デジタルコヒーレント光通信用224Gbit/s小型多値変調器 Compact 224-Gbit/s Modulator Modules for Digital Coherent Optical Communication Systems

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1 情報通信 デジタルコヒーレント光通信用 Gbit/s 小型多値変調器 Compact -Gbit/s Modulator Modules for Digital Coherent Optical Communication Systems 関 * 守弘 河野直哉 北村崇光 Morihiro Seki Naoya Kono Takamitsu Kitamura 板橋直樹巽泰三山路和宏 Naoki Itabashi Taizo Tatsumi Kazuhiro Yamaji 光通信伝送量の飛躍的な増大に対応すべく 多値変調方式を活用したデジタルコヒーレント光伝送技術が注目され 既に幹線系への導入が開始されている 今後のメトロ系への展開に向けては 光通信システム機器への高密度実装のために各光部品の小型化が望まれている 我々は InP 系材料を用いた多値変調素子の開発 リニアドライバICの開発を行った 更に 多値変調素子 個のリニアドライバIC 偏波多重光学部品を内蔵した多値変調器サイズを mm 3 にまで小型化し Gbit/s DP-16QAM 変調動作に向けてLiNbO 3 系変調器と同等の特性を実証した Digital coherent technology with multi-level modulation formats is an attractive solution to satisfy the rapid increase in optical traffic demand and has already been adopted in ultra-long haul systems. In the next generation, the application area will be expanded to metro systems, and smaller-sized, lower-power optical components are expected in order to realize high port density. We have developed InP-based modulators and linear driver ICs, which enabled the modulator module size as small as mm 3. We demonstrated that a -Gbit/s DP-16QAM modulator module including all of an InP-based modulator, four linear driver ICs, and polarization multiplexing micro-optics has comparable performance to LiNbO 3-based modulators. キーワード : デジタルコヒーレント伝送 InP 多値変調器 リニアドライバ DP-16QAM 1. 緒言映像配信サービスの拡充 高画質化 モバイル端末の普及など 通信トラフィックの増大は止まる所を知らない その需要を満足する次世代の長距離大容量光伝送システムとして 多値変調方式を活用したデジタルコヒーレント光伝送技術が注目され 既に幹線系へは1 波あたり1Gbit/s のシステム導入が開始されている 今後 幹線系からメトロ系への展開に向けては 光トランシーバの小型化によるポート密度の向上ならびにポートあたりの伝送容量向上の要求が強いが その実現には 小型低消費電力の変調器および受信器の開発が必須である (1) 当社では InP 系の光素子を用いることで小型化を実現した変調器ならびに受信器にて18Gbit/s DP-QPSK 1 動作を実証している () (3) 本稿では 更なる伝送容量向上に向けて InP 系変調素子とリニアドライバICを用いた小型多値変調器を作製し Gbit/s DP-16QAM 動作に向けて () LiNbO 3 系変調器と同等の特性を実証した取り組みについて報告する. 素子特性 1 多値変調素子 (1) 多値変調素子設計図 1(a) に多値変調素子の上面写真 図 1(b) に多値変調素子変調部の断面模式図を示す 1 素子に 個のMach-Zehnder(MZ) 変調器を集積している 変調部長は3mmである RF 配線面積削減のためS-G-S 差動電極構造とし 特性インピーダンスは差動 9Ωで設計した RF Feed Lines Y/Q Y/I X/Q X/I Undoped InP AlGaInAs MQW n-inp Modulator Sec on 3mm S Au Electrode p-inp G Phase Adjustment Sec on S BCB Semi-Insulating InP Substrate 図 1 多値変調素子 15 年 1 月 S E I テクニカルレビュー 第 186 号 55

2 光導波路構造は 幅 1.6µm 深さ 3µm のディープリッジ 光導波路構造を採用している (5) コア部への光閉じ込めが強 いため光導波路曲げ半径を小さく出来る点 半導体部体積が少なくなることからS-G 間の容量を低減出来る点が利点である コア層には アンドープのAlGaInAs 多重量子井戸構造を用いることで 電圧印加時の光損失増加に対する変調効率を高めている また配線形成を行うため Benzocyclobutene (BCB) 樹脂にて光導波路を埋め込んでいる () 多値変調素子特性評価結果 図 に光導波路幅に対する光導波損失の評価結果を示 す 1.6µm 幅の光導波路において波長 1537nmの C-band 帯で.5dB/mm 以下の光導波損失であり 光吸収および光導波路側面での散乱損失は十分に抑制されていると考えられる Propagation Loss [db/mm] Waveguide Width [μm] Normalized Optical Loss [db] Normalized Optical Power [db] 図 Wavelength 153 nm 155 nm 157 nm Reverse Bias Voltage [V] 電圧印加時の光損失増加特性評価結果 Wavelength 157 nm ER > 5 db Reverse Bias Voltage [V] 図 DC 消光特性評価結果 図 光導波損失の光導波路幅依存性評価結果 Differential linear driver IC Vcc for output Output differential 9Ω transmission circuit 図 3に逆バイアス電圧印加時における光損失増加の評価結果を示す 波長 157nm 逆バイアス電圧 11Vでの光損失増加は1dB 以下である 図 に典型的なDC 消光特性評価結果を示す 逆バイアス電圧 11V 波長 157nmで5dB 以上の消光比 (ER) が得られている リニアドライバIC (1) リニアドライバIC 設計図 5にリニアドライバICのブロック図を示す 高速動作とドライバIC 入出力での低い反射損失を実現するため Traveling wave amplifier(twa) (6) を用いている 本 TWAは 6つのリニア増幅ユニットセルとそれを並列接続するコプレーナラインで構成される TWA 1 段構成を用いることで 線形性と低消費電力を両立させている またドライバICの周波数特性に周波数ピーキングを持たせることで 変調器内のRF 線路における高周波信号損失を Coplanar line Input 5Ω 5Ω 図 5 Output Distributed linear amplifier unit cells 5Ω 5Ω リニアドライバ IC ブロック図 補償し E/O 応答の周波数特性改善を図っている ドライバICの出力振幅は差動.5Vppであるが 本電圧駆動にて1.Vπ 変調となるように 1 項の多値変調素子は調整を行っている この場合.Vπ 変調時に比べて変調器の光出力が3dB 低下するが ドライバICの低消費電力化 DCバイアス用プルアップインダクタの削除による実装面積 56 デジタルコヒーレント光通信用 Gbit/s 小型多値変調器

3 の削減 光出力の非線形性抑制が可能といった利点がある ドライバIC 素子サイズは1chあたり.1 1.1mm 実装面積はchで.1 9.mm である なおドライバICは InP double heterojunction bipolar transistor(dhbt) プロセスを用いて設計している トランジスタのFtとFmax は それぞれ15GHzとGHzである () リニアドライバIC 特性評価結果図 6(a) にS-parameterの評価結果を示す Sdd11および Sddは 周波数 5GHz 以下において-1dB 以下である Sdd1の-3dB 帯域は5GHzであり 3GHzから8GHzにかけてのdB 程度の緩やかな周波数ピーキングにより 変調器内のRF 線路における高周波信号損失の補償を行う 図 6(b) に1GHz Sin 波の差動入力に対する全高調波歪 (THD) の評価結果を示す 差動出力振幅.5Vppにおいて THDは.5% 程度である 図 6(c) に8Gbaudでの 値振幅変調時のアイパターンを示す なおリニアドライバICへの入力振幅は差動 65mVpp であり これはDigital to analog converter(dac) で直接駆動可能な入力振幅である 本アイパターンの出力振幅は差動.5Vppであり 良好なアイパターンが確認された RF Input Interface x 写真 1 Differential Linear Driver IC 図 7 Phase Modulator 多値変調器外観写真 Phase Adjuster π/ π/ TEC : Thermoelectric Cooler 多値変調器ブロック図 Polarization Rotator PR PBC Polarization Beam Combiner Optical Input Optical Output x 3. 多値変調器特性写真 1に作製した多値変調器の外観写真 図 7に多値変調器のブロック図を示す 多値変調器内には 1 個のMZ 変調器を集積したInP 系多値変調素子 個のリニアドライバIC 3 偏波多重用のための光学部品 1および3を同一温度に保つためのTEC を内蔵している また実装での小型化を実現するために 光の入出力ファイバを同一面に配置した他 RF 信号の入力を反対面に配置した 多値変調器サイズとして mm 3 までの小型化を達成している 図 8に小信号での (a)e/o 応答および (b)sdd11の評価結果を示す 17.5GHzと1GHz に 信号入力部のインピーダンスミスマッチによるSdd11の増大があり 同じ周波数で E/O 応答に窪みが発生しているが 本影響を除けば E/O 応答の-3dB 帯域はGHz 程度である 図 9に1Gbaudおよび8GbaudでのSingle-polarization (SP)-16QAM 動作時の評価結果を示す 図 9(a) および (b) は光信号対雑音比 (OSNR) に対するBack to Back 評価での符号誤り率 (BER) 特性である 図 9(c) と (d) はSP-16QAM 変調における信号処理後のコンスタレーション 3 である 本評価に使用したレーザ光源の線幅はおよそ5kHz であり コヒーレントレシーバで受信し 5GS/s のオシロスコープ (7) を用いてオフライン処理を行っている また理論値および LiNbO 3 系変調器 (-3dB 帯域はGHz 以上 ) を同一評価系で評価した結果も図 9(a)(b) にプロットしている これらの評価結果では 今回開発した多値変調器とLiNbO 3 系変調器とのBER 特性の差は小さく またBER=1-3 における理論値との乖離は1Gbaudで.8dB 8Gbaudで5.6dBであった S dd1 [db] a S-Parameter S dd11, S dd [db] THD of 1GHz [%] b 1 GHz Sin THD.5 Vpp Differential c PRBS 31-1, 8Gbaud, 図 6 リニアドライバ IC 特性評価結果 15 年 1 月 S E I テクニカルレビュー 第 186 号 57

4 E/O Response [db] XI XQ YI YQ S dd11 [db] XI XQ YI YQ 図 8 多値変調器の小信号周波数応答評価結果 Bit Error Rate G SP-16QAM theory 1G SP-16QAM (LiNbO3) 1G SP-16QAM (This work) OSNR [db/.1nm] Bit Error Rate G SP-16QAM theory 8G SP-16QAM (LiNbO3) 8G SP-16QAM (This work) OSNR [db/.1nm] 図 9 多値変調器 SP-16QAM 伝送特性評価結果 なお消費電力は 個のドライバIC 合計で.W 以下 TEC 部で.8W 以下であり 変調器の消費電力は3.W 以下であった. 結言 InP 系材料を用いた小型多値変調素子の開発 およびInP- DHBTプロセスを用いた低消費電力で小実装面積のリニアドライバICの開発を行った また多値変調素子 個のリニアドライバIC 偏波多重光学部品を内蔵した多値変調器サイズを mm 3 にまで小型化し Gbit/s DP-16QAM 変調動作に向けてLiNbO 3 系変調器と同等の特性を実証した 用語集ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー 1 DP-QPSK Dual-Polarization Quadrature Phase Shift Keying: QPSK は四位相偏移変調 9 間隔でずれた 位相を組み合わせることで 一度に bitの情報を伝送する通信方式 更に 直交する二偏波を用いる (DP) ことで 同時につのQPSK 信号を送り 計 bitの情報伝送が可能となる 16QAM 16 Quadrature Amplitude Modulation: QAMは直交振幅変調 9 間隔でずれた 位相に加え つの振幅を組み合わせることで 一度に16 値すなわちbitの情報を伝送する通信方式 58 デジタルコヒーレント光通信用 Gbit/s 小型多値変調器

5 3 コンスタレーション伝送されるデジタル信号の位相と振幅の関係を複素平面上に示した図 執筆者 関 * 守弘 : 伝送デバイス研究所主席 参考文献 (1) W. Forysiak, Progress in InP-based Photonic Components and Sub-systems for Digital Coherent Systems at 1Gbit/s and beyond, ECOC13, Mo.3.C.(13) () N. Kono, T. Kitamura, H. Yagi, N. Itabashi, T. Tatsumi, Y. Yamauchi, K. Fujii, K. Horino, S. Yamanaka, K. Tanaka, K. Yamaji, C. Fukuda, and H. Shoji, Compact and Low Power DP-QPSK Modulator Module with InP-Based Modulator and Driver ICs, OFC/ NFOEC13, OW1G.. (3) H. Yagi, N. Inoue, Y. Onishi, R. Masuyama, T. Katsuyama, T. Kikuchi, Y. Yoneda, and H. Shoji, High-Efficient InP-Based Balanced Photodiodes Integrated with 9 Hybrid MMI for Compact 1 Gb/s Coherent Receiver," OFC/NFOEC13, OW3J.5. () T. Tatsumi, N. Itabashi, T. Ikagawa, N. Kono, M. Seki, K. Tanaka, K. Yamaji, Y. Fujimura, K. Uesaka, T. Nakabayashi, H. Shoji and S. Ogita, A Compact Low-Power -Gb/s DP-16QAM Modulator Module with InP-based Modulator and Linear Driver ICs, OFC/ NFOEC 1, Tu3H.5. (5) H. Yagi, T. Kitamura, N. Kono, H. Kobayashi, N. Inoue, K. Horino, D. Kimura, K. Fujii, Y. Yoneda, C. Fukuda and H. Shoji, Low driving voltage InP-based Mach-Zehnder modulators for compact 18 Gb/s DP-QPSK modulator," in Conf. on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim, and OptoElectronics and Commun. Conf./Photonics in Switching (CLEO-PR&OECC/PS), WK-1(July 13) (6) Y. Baeyens, N. Weimann, P. Roux, A. Leven, V. Houtsma, R. F. Kopf, Y. Yang, J. Franckoviak, A. Tate, J. S. Weiner, P. Paschke, and Y.-K. Chen, High Gain-Bandwidth Differential Distributed InP D-HBT Driver Amplifiers With Large (11.3Vpp)Output Swing at Gb/s, IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL.39, NO.1(OCT. ) (7) K. Kikuchi, and S. Tsukamoto, Evaluation of Sensitivity of the Digital Coherent Receiver, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 6, NO. 13(JULY 1, 8) 河野 直哉 : 伝送デバイス研究所 主査 博士 ( 情報科学 ) 北村 板橋 崇光 : 伝送デバイス研究所 直樹 : 伝送デバイス研究所 巽泰三 : 伝送デバイス研究所主席 山路和宏 : 伝送デバイス研究所主席 * 主執筆者 15 年 1 月 S E I テクニカルレビュー 第 186 号 59